數字化技術賦能《材料的導熱性》實驗教學

〔摘" "要〕" 數字化技術的應用在教育領域日益廣泛。以計算機為基礎，集教育和信息技術為一體的數字化技術在培養學生的科學核心素養方面具有重要意義和作用。本文以青島版科學五四制五年級上冊第五單元第二課《材料的導熱性》為例，通過使用數字化設備及傳感器，對不同材料的導熱性能進行精確測量和分析，實現實驗過程的動態呈現，學生直觀感受數字化實驗的精準和便捷，幫助學生更好地進行實驗探究。

〔關鍵詞〕" 小學科學；數字化技術；核心素養

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）20" " 0085-03

《義務教育科學課程標準（2022年版）》明確指出，“教師應利用信息技術輔助手段，如數字化實驗等，讓學生比較直觀便捷地學習相關知識”。傳統的導熱性實驗方法存在一定的局限性，而數字化技術的引入為這一領域帶來了新的機遇。運用數字化實驗系統（傳感器替代傳統測量工具、專用軟件與計算機進行數據采集和處理）開展的實驗，統稱為數字化實驗。采用“實驗現象的可視化”“實驗證據的可視化”和“信息處理的可視化”三種基本形式，應用數字化實驗系統，將“不可見”的現象“可視化”。可視化的實驗，為教師和學生提供更多反饋、反思和修改的機會，使學生的科學學習變得更為有效。

一、數字化技術在科學實驗教學中應用的誤區

（一）功能認知局限

在科學實驗領域，傳感器作為獲取數據的關鍵工具，其功能的充分發揮對實驗的深度與廣度拓展至關重要。然而，目前普遍存在對傳感器功能認知不足的現象，這在很大程度上限制了實驗的拓展。對傳感器功能的認知局限主要體現在僅了解其基本測量功能。例如在熱學實驗中，只把溫度傳感器用于測水溫，忽略其在探究熱傳遞動態過程等方面的應用。磁學實驗中，磁傳感器也多被用于檢測磁場的有無和強弱，而忽視了其在測量磁場梯度、磁矩等方面的潛力。在力學實驗中，知道用力學傳感器測量物體所受的力的大小，探究力的相互作用關系，忽略了可以利用力學傳感器搭建簡單的機械結構，如杠桿、滑輪等，測量在不同負載下結構的受力情況，分析機械效率和省力原理等應用知之甚少。

（二）實驗設計欠佳

實驗設計中，由于對傳感器功能了解不足，傳感器使用與實驗目標不契合。實驗人員只按照既定的實驗步驟進行操作，難以設計出具有創新性和深度的實驗方案，只能重復進行一些常規的實驗，無法開展對復雜科學現象的研究，限制了學生自主探索和創新的空間。

（三）過度依賴數據

在科學實驗教學中，傳感器的廣泛應用為獲取精確數據提供了便利。然而，在實驗教學過程中，教師和學生往往將重點放在傳感器輸出的數字結果上。例如在力學實驗中，學生使用力傳感器測量物體所受拉力，只關注顯示屏上的數值變化，而忽略了物體在受力過程中的形變、運動狀態改變等直觀現象。科學觀察是科學研究的基礎，通過對實驗現象的細致觀察，能發現問題、提出假設。而只關注數據，會影響學生對科學概念的理解。

二、數字化技術賦能科學實驗教學的策略

（一）激發學生的學習興趣

在小學科學教學中，利用數字化技術可以提高學生學習科學實驗的興趣，讓學生在輕松愉快的氛圍中了解更多關于自然、生命、科學知識。數字化技術為科學實驗教學注入活力，在一定程度上改變了學生的學習方式，變被動為主動，讓學生在趣味學習中探索科學知識，提高科學素養。

（二）優化學習內容與效果

科學實驗教學是培養學生實踐能力和科學思維的重要環節。數字化技術的融入為教學內容的豐富和教學效果的提升提供了新的途徑。數字化實驗可將抽象的、可視性差的實驗通過相應的傳感器直觀地、連續地呈現在計算機上，將實驗結果放大，將實驗定量化。

教師可以借助動畫、模擬軟件等，將抽象的科學概念和實驗原理動態呈現；借助數字化技術可以實現對實驗過程的動態呈現，讓學生可直接觀察和體驗實驗現象。例如，在力學、電學實驗中，可以捕捉一些瞬間變化的物理量，如微小的力、快速變化的電流等；在聲學實驗中，可以通過觀察波形進行比較，來準確判斷音調的高低。傳統實驗很難精確捕捉和展示，而數字化實驗的傳感器卻能敏銳地感知，并將這些數據實時反饋到計算機上，學生可以清晰地看到實驗數據的動態變化過程，促進學生創造性思維的發展。

（三）提高實驗設計及探究能力

提升學生實驗設計與探究能力是科學教育的重要目標，數字化技術能提供多元化工具與資源，助力完成這一目標。在實驗教學中，教師要特別注重培養學生的實驗設計和科學探究能力。通過數字化教育技術，可以幫助學生更好地進行實驗設計，有利于提升學生的探究能力。

三、數字化技術賦能科學實驗教學的實例

溫度傳感器可精確測量不同材料在受熱過程中的溫度變化，并將數據實時記錄下來，避免了傳統溫度計讀數不準確、不及時的問題，為后續分析材料導熱性提供準確可靠的數據支持。通過溫度傳感器與數據采集系統相連，可將不同材料的溫度變化以曲線等直觀的圖表形式呈現出來，讓學生更清晰地觀察到不同材料在相同時間內溫度上升的快慢及幅度差異，從而更直觀地理解不同材料導熱性的不同，如金屬材料溫度上升快，塑料、木材等材料溫度上升慢。

（一）學情分析

知識儲備方面：學生在四年級已經學習了熱傳導的知識，知道熱可以沿著物體從溫度高的部分傳到溫度低的部分，從溫度高的物體傳到溫度低的物體。

認知特點方面：學生知道很多生活用品是由不同的材料制作的，它們的用途也是不同的。本節課依據學生的認知特點，選取生活中常見的金屬材料與非金屬材料進行觀察、探究，讓學生知道不同材料的導熱性不同這一特點，并實現學以致用的目的。

（二）教學準備

六根不同材料的小棒、燒杯、熱水、數顯溫度計、泡沫板、計算機、數字化設備及DIS軟件。

（三）教學過程

1.創設情境，導入新課

視頻出示場景：課件播放視頻，視頻內容為教師用鐵鍋做飯時不小心燙著手的情景，視頻最后出示問題——老師為什么會燙著手呢？

設計意圖：本節課的知識目標是掌握不同材料的導熱性不同，學生根據知識經驗回答出由于鍋被加熱所以燙手。進而引導學生探究“為什么握鍋柄的手不燙”這一問題。將知識目標融合到場景中，明確了本課探究活動的主題。在激發學生學習興趣的同時，也成功喚起學生已有的生活經驗，為課堂探究做好準備。

2.引發猜想，探究實踐

（1）借助數顯溫度計探究兩種材料

學生根據生活經驗設計模擬實驗，用鐵棒模擬鍋身，木棒模擬鍋柄，熱水作為熱源。學生分小組討論實驗方案。教師要巡視各小組，觀察學生的討論過程。

設計意圖：對于設計方案困難的小組，教師通過提問引導學生思考，了解學生在實驗設計思路上的障礙點，關注學生是否明確這個實驗除材料不同外，其他條件必須相同；讓學生認識到只有通過嚴謹規范的操作，才能獲得科學準確的結論。

學生匯報實驗方案：往燒杯中加入熱水；用泡沫板固定鐵棒和木棒，同時放入熱水中；利用數顯溫度計測量溫度，通過計算加熱后與加熱前的溫度差的方法來比較導熱性強弱。

學生依據加熱相同的時間，鐵棒的溫度變化得快，得出鐵棒的導熱性強、木棒的導熱性弱這一結論。教師介紹鐵棒屬于金屬材料，木棒屬于非金屬材料，引導學生猜想金屬材料與非金屬材料的導熱性強弱。由于不能依據鐵這一種金屬、木棒這一種非金屬就來判斷這兩類材料的導熱性，所以借助多種材料進行進一步探究。

（2）借助數字化技術探究兩類材料

學生在實驗的過程中發現數據處理較為煩瑣。于是，借助數字化設備進行實驗。將溫度傳感器的探針用小圓環固定在小棒相同高度的位置上；通過連接線將兩個“三合一”的傳感器接入數據采集器；通過通信線接入計算機，顯示6組材料的溫度后，點擊自動記錄數據按鈕；將數據形成一個表格，點擊繪制圖表，形成溫度隨時間變化的折線圖。通過分析數據，可以直觀地看到加熱相同的時間，金屬材料的溫度變化得快。學生得出金屬材料的導熱性強、非金屬材料的導熱性弱的結論，并發現在金屬材料中，不同金屬材料的導熱性也是不一樣的。

在傳統的實驗課堂教學中，我們通常用手摸小棒感受溫度變化，但存在不安全性；或者用凡士林將火柴粘在小棒上，通過觀察火柴掉落情況判斷導熱性強弱。由于加熱前物體的溫度是不同的，而比較導熱性強弱應該比較加熱相同的時間，物體的溫度變化大小。所以，本節課運用了數字化設備，將實驗過程形成溫度隨時間變化的折線圖，實驗結論也更為準確。

四、數字化技術賦能科學實驗教學的感悟

（一）以數字化之趣，點燃學生科學學習熱情

小學階段學生好奇心強，數字化技術能將抽象知識轉化為生動有趣的形式。如用折線圖展示熱的傳遞過程、用聲波展示聲音的高低變化等，色彩鮮艷的畫面和動態演示，瞬間抓住學生注意力，讓他們對科學課充滿期待，主動參與課堂討論與探索。

（二）借數字化之力，突破小學科學教學難點

小學科學有些概念抽象，學生理解困難。“數字化”的出現是對傳統實驗的改進與補充，一定程度上排除了實驗誤差的干擾，采集數據更加精確、高效，有利于培養學生分析數據的能力，讓學生更直觀、科學、準確地感知到不同材料的導熱性不同這一概念。對科學概念化繁為簡、化抽象為具象、化隱為顯，為學生認識科學核心概念搭建“腳手架。”

（三）憑數字化之能，支持小學科學個性化學習

每個學生學習進度和方式不同。數字化學習平臺為學生提供了個性化學習空間。學生可根據自身情況選擇學習內容和進度，如基礎薄弱的學生可掌握本堂課的內容，學有余力的學生可利用溫度傳感器在課外繼續探究不同材料或不同環境下材料的導熱性，激發學生對科學的興趣和探索欲望，培養學生的自主學習能力和創新思維，如探究不同金屬合金的導熱性、不同厚度材料的導熱性等。

數字化技術作為現代教育的重要手段，正逐漸融入小學科學實驗教學。數字化技術的使用不僅能夠提升實驗數據質量，還在拓展實驗內容、促進合作學習和個性化教學等方面發揮著重要作用，為教學模式創新與學生素養提升帶來新契機。教師應積極探索數字化技術與小學科學實驗教學的融合方式，充分利用數字化技術優勢，不斷創新教學方法，為培養學生科學核心素養提供有力支持，推動小學科學教育高質量發展。

【本文系煙臺市教育科學“十四五”規劃2023年度課題“指向核心素養培育的小學科學數字化探究性實驗設計與開發實踐研究”的階段性研究成果，課題編號：145-2023GH079】

參考文獻

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[2]胡海濤，王晶晶.創新實驗教學與數字化技術的融合[J].小學科學，2022（23）：10-12.